Daser, Angelika : Untersuchungen zur Beteiligung zellulärer und genetischer Mechanismen bei Immunregulation und -modulation

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Kapitel 1. Aspekte der Regulation und Dysregulation zellulärer Immunität

1.1 Einleitung

[siehe Daser A, Meissner N, Herz U, Renz H. 1995. Role and modulation of T-cell cytokines in allergy. Curr Opin Immunol, 7, S.762-770. ]

Wesentliche Funktionen des Immunsystems stützen sich auf die zelluläre Immunität. CD4+ und CD8+ T Zellen werden nach Antigenkontakt aktiviert und wirken im Falle der CD8+ T Zellen direkt auf die zu zerstörenden Zellen ein - die sogenannte cytotoxische Immunantwort - oder bahnen und dirigieren die Effektorfunktionen durch Interaktion mit anderen Immunzellen über Zellkontakte und lösliche Faktoren, die Zytokine. Diese sehr komplexe Immunregulation wird wesentlich mitbestimmt von CD4+ T Zellen, den sogennanten T Helferzellen. Diese lassen sich nochmals unterteilen in zwei Subsysteme: T Helfer 1 (Th1) und T Helfer 2 (Th2) Zellen (Mosmann et al, 1986; zusammengefaßt in Daser et al, 1995, Abbas et al, 1996, O'Garra et al, 1998). Die wichtigsten Partner dieser Interaktion und Reaktion sollen im folgenden kurz beschrieben und in Abb. 1 schematisch dargestellt werden:

Wenn ein Antigen in den Organismus gelangt, wird es von antigenpräsentierenden Zellen (APC) aufgenommen, prozessiert und in Fragmentform zusammen mit MHC der Klasse I oder II auf der Zelloberfläche präsentiert. T Zellen erkennen diese Antigenfragmente, die sogenannten Epitope mit Hilfe des T Zellrezeptors (TCR); hierbei bildet sich ein trimolekularer Komplex aus MHC, Epitop und TCR aus, wobei CD8+ T Zellen nur mit MHC Klasse I, CD4+ T Zellen nur mit MHC Klasse II


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Abbildung 1: Induktion und Funktion der Th Immunantworten. Durch Erstantigenkontakt werden naive T Zellen aktiviert und sezernieren IL-2. Durch das sie umgebende Zytokinmilieu entwickeln sie sich dann weiter in Th1 oder Th2 Effektorzellen, die die Qualität der resultierenden Immunantwort bestimmen. Die Zytokine der jeweiligen Th Subpopulation wirken inhibierend auf die andere Subpopulation, d.h. IFN-? wirkt inhibierend auf die Proliferation von Th2 Zellen und IL-4 inhibierend auf Th1 Zellen.

interagieren können. Durch diese Kontakte und weitere kostimulatorische Zell-Zell-Interaktionen und Zytokine werden die T Zellen aktiviert - es entstehen reife T Zellen, die nun ihre Effektorfunktionen ausführen.

Dabei können prinzipiell zwei Wege eingeschlagen werden: Th1 und Th2 Antwort, die sich funktionell unterscheiden. Bestimmt wird die Richtung dieser Antwort durch mehrere Faktoren; ein Hauptfaktor ist das Zytokinmilieu, in dem diese Zellinteraktion stattfindet. Findet sich zu diesem Zeitpunkt Interleukin (IL-) 12 in der Umgebung der antigenstimulierten T Zellen, entwickelt sich eine Th1 Antwort; in Gegenwart von IL-4 wird die Richtung einer Th2 Antwort eingeschlagen. Die funktionellen Unterschiede von Th1 und Th2 sind wie folgt:

Th1 Zellen sind hauptsächlich verantwortlich für die zelluläre Immunität mit der Eliminierung mikrobieller Pathogene. Effektorzytokine der Th1 Zellen sind IFN-gamma und IL-2. Im Falle einer Dysregulation kommt es zur Autoimmunität mit schweren Krankheitsbildern wie systemischem Lupus Erythematodes (SLE), Erkrankungen des rheumatoiden Formenkreises und juvenilem Diabetes. Eine Th2 Immunantwort steuert die humorale Immunität; physiologischerweise wird sie beispielsweise in Gang gesetzt bei Wurminfektionen. Effektorzytokine sind IL-4, IL-5, IL-10 und IL-13, die aktivierend auf Mastzellen, Eosinophile, Basophile und B Zellen wirken. Bei


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Dysregulation in Richtung Th2 kommt es ebenfalls zu gravierenden Störungen - Allergien, Atopie und atopisches Asthma.

Entsprechend ist es wichtig, sowohl die genaue Regulation in der Entstehungsphase zu kennen als auch Zielmoleküle therapeutischer Intervention zu definieren. Im folgenden werden eigene Arbeiten zu diesen beiden Aspekten zusammengefaßt.


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1.2 NK1.1 T Zellen sind nicht die Quelle des initialen IL-4

[siehe Daser A, Gerstner B, Hansen R, Bulfone-Paus S, Renz H. 1998. Impaired NK1.1 T cells do not prevent from the development of an IgE-dependent phenotype. Clin Exp Allergy, 28, S.950-955. ]

Bei der Polarisierung in die Th1 Richtung sezernieren aktivierte APC IL-12, das wiederum IFN-gamma in naiven T Zellen induziert. Im Gegensatz dazu ist bei der Entstehung der Th2 Antwort ein wichtiger Zytokinproduzent noch unbekannt: für die Th2 Entwicklung wird IL-4 benötigt, das von bereits differenzierten Th2 Zellen und anderen immunkompetenten Zellen dann produziert wird, wenn sie von Th2 Zellen aktiviert wurden. Die Quelle des initialen IL-4 ist also unbekannt.

Von einer Zellpopulation, den NK1.1 T Zellen, weiß man, daß sie sehr früh in der Immunkaskade IL-4 produzieren. Die mögliche Rolle dieser Zellen für die Bereitstellung von initialem IL-4 läßt sich in NK1.1 defizienten Mäusen stringent untersuchen. Zunächst beschrieben Yoshimoto et al. 1995, daß bei Fehlen dieser Population nach einem polyclonalen T oder B Zellstimulus weder frühes IL-4 detektierbar war noch das von IL-4 und Th2 abhängige Immunglobulin IgE. Diese Ergebnisse machten NK1.1 T Zellen zu sehr interessanten Kandidaten für die Initiation einer Th2 Antwort. Entsprechend wurden physiologischere Stimuli als anti-T-Zell- und anti-B-Zell-Antikörper eingesetzt, um die Rolle der NK1.1 T Zellen zu überprüfen. Die Infektion mit Parasiten oder das Verabreichen bestimmter Proteinantigene, die in Wildtypmäusen mit funktionierenden NK1.1 Zellen zu einer Th2 Antwort führt, induzierte auch in den defizienten Mäusen die adaequate Th2 Antwort mit IL-4 und IgE Produktion (Brown et al, 1996, von der Weid et al, 1996, Zhang et al 1996, Daser et al. 1998). Um zu untersuchen, ob dennoch quantitative Differenzen in den Effektorfunktionen entstehen, wenn diese IL-4 Quelle fehlt, wurde als empfindlicher Parameter die IgE abhängige


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Sofortreaktion der Haut nach lokaler Allergenexposition quantifiziert - auch hier ergaben sich keinerlei Differenzen zwischen Wildtypmäusen und defizienten Mäusen (Daser et al. 1998). Welche Zellen also das Th2 induzierende IL-4 Milieu bereitstellen bleibt nach wie vor unklar, als Kandidaten gelten weiterhin T Zellen, Mastzellen, basophile und eosinophile Granulozyten.


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1.3 Durch Intervention im trimolekularen MHC - Peptid - TCR - Komplex sollte eine pathologische Immunantwort blockiert werden können

[siehe Daser A, Urlaub H, Henklein P. 1994. HLA-B27 binding peptides derived from the 57kD heat shock protein of Chlamydia Trachomatis: novel insights into the peptide binding rules. Mol Immunol, 31, S.331-336. ]

[siehe Rognan D, Scapozza L, Folkers G, Daser A. 1994. Molecular dynamics simulation of MHC-peptide complexes as a tool for predicting T cell epitopes. Biochemistry, 33, S.11476-11485. ]

[siehe Mertz AKH, Daser A, Skurnik M, Wiesmüller K-H, Batsford S, Schiltz E, Braun J, Wu P, Appel H, Distler A, Sieper J. 1994. The cationic urease b-subunit and ribosomal protein L23 of Yersinia enterocolitica 0:3 belong to the immunodominant antigens in Yersinia-triggered reactive arthritis. Mol. Medicine, 1, S.4455-4459. ]

[siehe Burmester G, Daser A, Kamradt T, Krause A, Mitchison NA, Sieper J, Wolf N. 1995. Immunology of reactive arthritides. Ann Rev Immunol, 13, S.229-250. ]

[siehe Rognan D, Scapozza L, Folkers G, Daser A. 1995. Rational design of nonnatural peptides as high affinity ligands for the HLA-B*2705 human leukocyte antigen. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 92, S.753-757. ]

HLA B27 ist ein MHC Klasse I Molekül, das stark mit einem chronisch entzündlichen Krankheitsbild autoimmuner Genese assoziiert ist - der ankylosierenden Spondylitis (M. Bechterew). Auch eine zweite Gruppe chronisch entzündlicher Krankheiten ist mit HLA-B27 assoziiert: die reaktiven Arthritiden (ReA) nach bakteriellen Infektionen. Während im ersten Falle das Pathogen bzw. Autoantigen unbekannt ist, ist im zweiten Falle der auslösende Organismus bekannt und kann damit als ein Modell für die Untersuchung immunpathologischer Mechanismen und möglicher Therapieansätze benutzt werden (zusammengefaßt in Burmester et al, 1995).

Zu Beginn der 90er Jahre war es technisch möglich geworden, Epitope aus ihren MHC Molekülen herauszulösen und zu analysieren (Falk et al, 1991, 1994; Jardetzky et al, 1991). Außerdem war es gelungen, mehrere MHC Klasse I Moleküle zu kristallisieren und über Röntgenstrukturanalysen die MHC - Epitopbeziehung zu analysieren (Bjorkman et al, 1987a,b; Madden et al, 1992). Das hieraus resultierende Bild ist wie folgt: MHC Klasse I hat eine genau definierte Bindungsfurche mit festgelegten Ankerpositionen für das Epitop; dieses Epitop ist ein Peptid von etwa 9 Aminosäuren. Die Anforderungen der MHC Klasse II Moleküle sind geringer, da sowohl Ankerpositionen als auch Peptidlänge variabler sind. Diese Daten erlaubten auch die Entwicklung eines Modelles über die räumlichen Beziehungen des trimolekularen Komplexes MHC - Peptid - TCR. Damit kann man u.a. die Regionen des Peptids


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bestimmen, die dem TCR zugewandt sind und die Antigenerkennung durch die T Zelle ermöglichen. Für ein MHC Klasse I Molekül - HLA B27 ist dies in Abbildung 2 schematisch dargestellt (Scapozza et al., 1995).

Abbildung 2: Schematische Darstellung eines Nonamerpeptides (P1 - P9) in der Bindungsgrube von MHC Klasse I, exemplifiziert an HLA-B27. HLA-B27 enthält 6 Bindungstaschen A - F, in die mehr oder weniger restringierte Ankerseitenketten des Peptids hineinragen. Hauptanker sind die Taschen B und F mit den Seitenketten 2 und 9, weitere Ankerpositionen mit etwas größerer Flexibiltät sind die Seitenketten P1, 3, 5 und 7. Kontakte zum TCR sind angedeutet durch senkrechte Linien nach oben, d.h. die Positionen P1, 3, 4, 5, 6, 7 und 8, während P2 und P9 so tief in der Grube liegen, daß sie nicht an der Interaktion teilnehmen. Besonders zugänglich für den TCR ist der mittlere Teil des Peptids, der sich entsprechend für Modifikationen anbietet.

Ein therapeutischer Ansatz zur Unterdrückung einer pathologischen T Zellreaktion ist die Modifizierung der T Zellerkennungssequenz bei gleichzeitiger Bindung und damit Blockierung des korrespondierenden MHC Moleküls. Durch genauere Peptidbindungsstudien immundominanter Proteine von Chlamydia trachomatis und Yersinia enterocolitica, relativ häufiger Erreger von ReA, ließen sich die Regeln für Peptidbindung präzisieren und erlaubten die Vorhersage möglicher T Zellepitope (Daser et al, 1994, Mertz et al 1994); durch Computersimulation können darüberhinaus


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nicht in der Natur vorkommende Liganden entworfen werden (Rognan et al. 1994), die einerseits stark mit den Taschen des MHC Moleküls interagieren, andererseits keinerlei Bindungsmotiv für den TCR bieten (Rognan et al. 1995). Mit dieser Vorgehensweise lassen sich Peptidomimetika entwerfen und testen, die pharmakologisch den echten Peptiden überlegen sind und gleichzeitig mit einer pathologischen HLA-B27 restringierten T Zellantwort kompetieren, damit also großes therapeutisches Potential haben (Krebs et al, 1998). Des weiteren ist vielfach experimentell gezeigt worden, daß durch Änderung der Bindungsaffinität zwischen MHC und Peptid eine Modulation hin zur protektiven Immunantwort induziert werden kann (zur Übersicht s. Constant und Bottomly, 1997). Eine Änderung der Bindungaffinität zwischen MHC und Peptidomimetikum hätte damit auch die Perspektive des langfristigen therapeutischen Erfolgs.


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Tue Sep 3 16:18:56 2002